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與圓面積相關(guān)的數(shù)學(xué)史和月牙定理
本文將系統(tǒng)地介紹與圓相關(guān)的數(shù)學(xué)史和月牙定理,掃描文末二維碼可以閱讀”以HPM視角探索圓的面積“的教學(xué)案例,該案例系2020年長(zhǎng)三角區(qū)域初中數(shù)學(xué)青年教師教學(xué)設(shè)計(jì)大賽三等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)案例。

一、圓面積公式的歷史
(一)、阿基米德最早給出了圓面積的準(zhǔn)確公式
阿基米德根據(jù)安提豐“化圓為方”的方案(如圖1)以及在《幾何原本》中歐幾里得的命題:兩個(gè)圓的面積之比它們的直徑之比,推導(dǎo)出了圓的面積公式。
  命題 圓面積等于一條直角邊為圓半徑,另一條直角邊長(zhǎng)為圓周長(zhǎng)的直角三角面積。

(二)、《九章算術(shù)》中對(duì)圓面積的推算

中國(guó)漢代數(shù)學(xué)名著《九章算術(shù)》中記載了正確的圓面積公式:“半周半徑相乘,得積步”。即圓面積等于半周乘以半徑,三國(guó)時(shí)代布衣數(shù)學(xué)家劉徽給出了證明。

(三)、開普勒推導(dǎo)圓面積公式的方式

17世紀(jì)譽(yù)滿歐洲的天文學(xué)家和數(shù)學(xué)家開普勒在他第二次婚姻的婚禮上,在思考酒桶體積算法時(shí),首先想出了圓面積的計(jì)算方法。

如圖3,將圓分割成無(wú)數(shù)個(gè)頂點(diǎn)在圓心、高為半徑的小“三角形”(其實(shí)是小扇形,但圓分割得越細(xì),小扇形越接近三角形)。將這些小“三角形”都轉(zhuǎn)變成等底等高的三角形,最后,它們構(gòu)成了一個(gè)直角三角形。

(四)、圓面積數(shù)學(xué)史微課

二、圓面積公式的兩種推導(dǎo)方法

動(dòng)態(tài)變化:

三、月亮定理

人們?cè)谧非蟆盎瘓A為方”的難題的解決過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)有一些圓以外奇妙的曲邊圖形的面積會(huì)和某個(gè)多邊形面積相等。這種發(fā)現(xiàn)應(yīng)最早歸功于古希臘的幾何學(xué)家希波克拉底。他首先發(fā)現(xiàn)了如下的結(jié)論:“以直角三角形兩直角邊向外作兩個(gè)半圓,以斜邊向內(nèi)作半圓,則三個(gè)半圓所圍成的兩個(gè)月牙形(希波克拉底月牙)面積之和等于該直角三角形的面積”,并給出了如下證明:

再?gòu)纳厦娴仁街?,兩邊同時(shí)減去圖中淺紅色兩個(gè)月牙面積S1和S2,便可得出結(jié)論:“直角邊上兩個(gè)月牙形的面積之和等于直角三角形的面積?!?/span>

希波克拉對(duì)幾何學(xué)的貢獻(xiàn)很大,他的《幾何綱要》是幾何學(xué)的第一本教科書,據(jù)說(shuō)包括了歐幾里得的《幾何原本》的前四卷內(nèi)容。希波克拉底曾致力于“化圓為方”,他的“月牙定理”曾給數(shù)學(xué)家很大的鼓舞,認(rèn)為“化圓為方”的問(wèn)題也不難解決。

除了月亮定理外,還有很多圓中陰影部分的面積值得我們?nèi)デ蠼狻?/span>

鏈接:圓中陰影部分面積的求法

“以HPM視角探索圓的面積”教學(xué)案例二維碼

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